剪切模态变幅杆

以下是一个以剪切模态工作的变幅杆示例,其波节是与螺柱轴线同心的圆柱面。(与之相对照,纵向谐振器的波节通常是与螺柱轴线垂直的平面。)

超声剪切模态变幅杆模型
超声剪切模态变幅杆——FEA 轴向位移动画
图 1. 剪切模态变幅杆

应用 — 超声增材制造(UAM)

类似的设计已用于超声增材制造(见 White 专利)。变幅杆两端各由一根增幅杆支撑。变幅杆旋转的同时横向掠过一条薄带状焊接材料,从而将该带材焊接到下层结构上。

注:Graff (1) 采用了另一种剪切模态变幅杆设计,无需支撑增幅杆。

对于 UAM,周边焊接表面必须做粗糙化处理;粗糙的类型和程度必须通过实验确定。

由于剪切摩擦运动,焊接表面最终会磨损,尤其是在焊接较硬材料时。如果变幅杆振幅足够低,则变幅杆可以用钢而不是钛制造。或者,也可以在钛变幅杆上施加耐磨涂层(例如参见 D-Gun)。这种涂层还可能同时提供所需的粗糙度。

设计

  1. 该变幅杆的材料为 Ti-6Al-4V。假设的材料属性 —
    E = 121.9 GPa
    密度 = 4425 kg/m³
    泊松比 = 0.34
  2. 在 20 kHz 下,变幅杆长度为 190 mm,直径为 146 mm。较大的直径使周边剪切焊接区与相邻支撑设备之间留有空隙。
  3. 调谐 — 从两端等量调谐。每端的调谐速率约为 120 Hz/mm。

性能

  1. 增益为 0.7。
  2. 钛材的最大 von Mises 应力(8.4 MPa/(焊接表面处微米_峰值))出现在波节汇入 10 mm 圆角处。
  3. 焊接表面存在 2% 的摇摆运动(相对于其剪切运动)。当输入与输出圆柱的直径与剪切波节大致相同时,摇摆似乎最小。17 mm 倒角减小时,摇摆会增大。
  4. 最近的相邻谐振(不含弯曲模态) — 18457 Hz、23874 Hz

下载此设计